高地应力软岩隧道仰拱隆起处治措施研究

高地应力软岩隧道仰拱隆起处治措施研

究

摘要:隧道施工过程中,穿越地层复杂,地质灾害多,容易引起各种变形破坏。

近年来,随着公路隧道的发展,隧道难免会穿越断层破碎带。断层破碎带围岩自稳

能力差,施工过程中会引起塌方、变形等一系列问题。解决隧道软弱围岩大变形

控制及与围岩变形相适应的支护体系问题,已成为隧道能否安全、顺利贯通的关键。

关键词：隧道;软弱泥岩;仰拱;隆起;处治措施;监测方法

引言

隧道仰拱隆起破坏是一个极为复杂的力学演化过程。引起仰拱隆起的原因有

外部环境因素和人为因素，其中外部环境因素主要是隧址区地应力、岩体岩性及

构造、水文地质条件等;人为因素主要是施工工艺及技术，如仰拱的结构形式、

支护参数、施工质量等。

一、仰拱隆起原因分析

为深入探究隧道仰拱隆起的原因，对现场仰拱进行破检，发现仰拱钢架已发

生屈曲破坏，失去承载能力。根据隧址区地应力、围岩岩性以及现场仰拱病害情

况的综合分析，得出仰拱隆起的原因为:由于隧道围岩以泥质粉砂岩为主，且仰

拱下部岩性更差，在强大水平构造应力作用下，仰拱钢架承载能力逐渐达到极限，因而导致仰拱上拱。

二、灾害因素分析

隧道仰拱隆起处的轴线、垂直轴线和竖直方向的地应力为4.87、8.69、

4.13MPa。饱和沉积岩的平均抗压强度为16.04MPa，与最大地应力的比值分别为3.29、1.84、3.88，围岩处于高地应力区（《电标方案》高地应力为岩石抗压强

度与地应力的比值在2~4）。沉积岩的饱和单轴抗压强度小于30MPa，属于典型

软质岩体。高地应力加剧了基岩膨胀变形，提高了仰拱隆起的敏感性。列车振动

加剧了仰拱与基岩的力学作用，导致岩体发生不协调变形。地下水溶蚀一直是影

响围岩体稳定性的关键因素。隧道开挖初期，隧底围岩完整性较好，未出现隆起

变形。但地勘表明，隧底基岩裂隙较为发育，渗透通道密集。仰拱隆起段旱季地

下水平均径流模数为5.65L/s·km2，雨季地下水径流模数升高至8.28L/s·km2;

地下水通过施工缝、基岩裂隙渗入仰拱填充层，引起基岩和混凝土强度劣化。岩

芯多呈层状破裂，部分混凝土具有腐蚀迹象。膨胀试验表明，断面岩芯的轴向膨

胀率分别为 2.74%和 1.60%。岩芯膨胀变形及强度劣化与地下水相关。由此表明，潜在的溶蚀深度和水岩接触面积会加剧膨胀变形，导致仰拱混凝土结构层发生不

协调变形。

三、高地应力软岩隧道仰拱隆起处治措施

（一）仰拱整治措施

常见的隧底仰拱处理方法是对隧底进行注浆加固、打设锁脚锚管、进行衬砌

外侧引排水设计、仰拱拆换及加厚处理、铺设型钢对混凝土进行加固等。由于本

次地质条件的复杂性，需依据施工项目具体问题进行针对性设计。引起此段仰拱

破坏的主要原因是隧底水压较大、围岩遇水软化，且溶洞裂隙较为发育，经过多

种方案的分析对比，综合采用如下设计。1)首先在隧道两侧边墙施作φ76×5注

浆钢花管，钢花管长9m，纵向排距150cm，注浆压力1.5～2.0MPa，注浆采用水

泥浆液，注浆后钢管内采用M30水泥砂浆填充，以提高钢管刚度。2)在仰拱底部

施作φ76×5注浆钢花管进行基底加固，钢花管长8m;横向间距100cm，纵向排

距150cm，呈梅花形布置。注浆采用1∶1水泥浆液，注浆压力1.5～2.0MPa。且

钢花管应嵌入基岩3m，依靠基岩对仰拱进行锚固，防止仰拱上浮，同时通过钢管

向仰拱底部围岩进行注浆处理，加固围岩。3)对仰拱进行拆换，同时对仰拱二衬

进行加厚，由原来的50mm加厚至75mm。4)在隧道右侧增设40cm×30cm排水沟，

左侧增设30cm×50cm排水沟，同时加宽中心水沟尺寸为120cm×200cm，并在排

水沟内每隔50m钻取泄水孔，当仰拱外侧水流较大时能通过泄水孔导入中心排水

沟中。5)同时增设排水系统，为减小隧道外侧水压，在适当位置设置U形横洞沉

淀池，并与中心排水沟相连，便于及时将中心沟内的涌水及流砂排出，减少仰拱

所受水压。6)施工中加强监控量测，要求测点布置断面间距≤5m，局部变形严重

地段根据实际情况进行加密，每天监测频率≥3次，以便随时掌握隧道衬砌变形

情况。

（二）仰拱开裂段处治

仰拱开裂段有隆起失效、隆起未失效、已稳定、持续发展未稳定等情况，针

对不同的仰拱病害采用以下相应措施。1)对于仰拱失效且变形已稳定段落，采用

拱脚加固+拆除重置措施，如图1所示。

图1拱脚加固+拆除重置

2)对于仰拱失效且变形未稳定段落，采用拱脚基底加固+拆除重置措施，如

图2所示。

图2拱脚基底加固+拆除重置

3)对于仰拱未失效且变形未稳定段落，采用拱脚基底加固措施，并加强监测，如图3所示。

图3拱脚基底加固

4)对于仰拱填充开裂未隆起且变形已稳定段落，进行灌浆封缝，并持续监测。

拱脚加固在两侧拱脚处各打设2排φ108×6钢花管，交叉角度30°，每根

长6.0m，纵向间距100cm，对拱脚进行注浆加固。基底加固采用φ89×6钢花管

注浆，每根长6.0m，间距100cm×100cm梅花形布置。对于仰拱开裂段拆除重置

的仰拱，拱架均采用I22b，间距60cm，并加深1m，填充层顶面增设抗裂网，采

用φ16钢筋网片，钢筋网间距20cm×20cm，并植筋与仰拱连接。

（三）仰拱隆起开裂预防措施

隧道工程受力结构与地质环境密切相关，在高地应力软岩隧道施工中，因仰

拱基底承载力不足，隧道结构受力复杂等原因，仰拱开裂经常发生，以下措施对

仰拱隆起开裂的预防有一定的积极作用。①优化仰拱曲率，加强与二衬联结部位。在大断面三车道高速公路隧道的设计中，仰拱曲率半径非常大，但仰拱的设计深

度有限，那么在仰拱与二衬结合部位就是一个薄弱环节，在这里出现应力集中，

混凝土易产生开裂、破损。在设计中可以将仰拱曲率半径减小，适当加大仰拱深度，加强联结部位钢筋，使仰拱在结构形状上更有利于承载。②仰拱与仰拱填充

一次性浇筑。在连城山隧道仰拱隆起、开裂部位破凿检查中，发现仰拱与仰拱填

充在在分界位置产生较大的缝隙，仰拱为C30钢筋混凝土，仰拱填充为C15片石

混凝土，二者未能形成整体受力结构，且在仰拱与仰拱填充分界位置有地下水渗出，仰拱填充破损严重，仰拱钢筋受压，在仰拱两侧呈倒“S”形。在设计施工中，可将仰拱及仰拱填充设计为同标号混凝土，一次浇筑成形，增强仰拱的完整性，可以避免这种情况的发生。③仰拱基底改良、加固。软岩隧道基底承载力较小，存在无法满足隧道承载的需求的可能，且隧道施工后，地下水重新分布，仰